(57)【要約】【課題】表面波に起因する不要電磁波の放射を抑制し、それによる放射パターンの歪みを低減したアンテナモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】本発明のアンテナモジュールは、絶縁基板１１の表面または内部に放射素子（パッチ１２）が設けられ、絶縁基板１１の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜してなるアンテナ基板１が、モジュール基板２上に実装されたことを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の表面または内部に放射素子が設けられ、前記絶縁基板の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜してなるアンテナ基板が、モジュール基板上に実装されたことを特徴とするアンテナモジュール。
【請求項２】
前記絶縁基板の裏面に半導体素子が搭載され、該半導体素子と前記放射素子とが接続されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３０ＧHｚ以上のミリ波帯の高周波信号を送受信するアンテナ基板と高周波信号を加工処理する高周波回路とを含むアンテナモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波は携帯電話に代表されるように無線機器用搬送波として一般社会に利用されてきたが、現在は携帯電話に限らず、無線ＬＡＮやWireless USBなど高容量データ通信の手段としても用いられるように研究開発が進められている。しかしながら、現状のところマイクロ波を用いる無線通信では情報伝送速度が遅く映像や動画などの大容量のデータ伝送が出来ないという問題がある。また、将来においてもマイクロ波領域では通信向けに割り当てられている周波数領域は狭く、あるいはUWBのように割り当て周波数領域が広くても送信電力に制限があり、今後の大容量通信の可能性が限られている。そのため、より高い周波数帯である３０ＧＨｚ以上のミリ波領域が超高速無線通信用として以前より注目されており、研究開発が進められてきた。特に６０ＧＨｚ帯は広い帯域が世界共通で割り当てられており、大容量高速通信手段として現在実用化され、光ファイバーに代わる事業所間通信用途などとして普及しつつある。
【０００３】
一方、通信業界以外では、７７ＧＨｚ帯が車間レーダー用の周波数として世界的に承認されており、レーダーの研究開発がこれまで盛んに進められ、ヨーロッパを中心に一般乗用車に搭載され、世間に広まりつつある。また、軍事用途や衛生通信用途としてもミリ波は活用されており、今後、さらにミリ波市場は拡大していくものと思われる。
【０００４】
ここで、無線通信あるいはレーダーには、信号を空間に放射あるいは空間より受信するためにアンテナが必要であり、従来、ミリ波用途には安定して優れた特性をもたらすホーンアンテナが用いられてきた。また、さらに高利得が求められるときには、ホーンアンテナを一次放射器としたパラボラアンテナやカセグレンアンテナが用いられてきた。
【０００５】
しかし、ホーンアンテナは損失が小さく広い帯域が得られ特性は優れるものの、体積が大きくコンパクトな送受信モジュールを作るには問題があった。また、金属加工して得られるホーンアンテナは量産性にも難点があった。
【０００６】
そこで、これらの問題を解決するために、パッチアンテナやスロットアンテナなどの平面アンテナが用いられてきた。これらのアンテナは誘電体基板に導体パターンを形成することで構成可能であり、体積が小さく、また特殊な金属加工を必要としないため量産性に優れるという利点があった。
【０００７】
しかしながら、これら平面アンテナのアンテナ基板には表面波（誘電体表面を伝播する電磁波）が発生し、その表面波がアンテナ基板端部まで伝播してアンテナ基板端部から不要電磁波（表面波に起因する不要電磁波）が放射され、アンテナから放射される放射パターンを歪めるという課題があった。また、表面波に起因する不要電磁波が周囲の回路基板や別のアンテナ基板に放射され、そこで混信が発生したり半導体素子の誤動作を引き起こしたりするという問題もあった。
【０００８】
これに対し、非特許文献１ではアンテナ基板からの不要電磁波の放射自体を抑制する方法を提案している。ここでは、表面波の伝播を抑制するよう設計したフォトニックバンドギャップ構造をグランド層に形成する形態が提案されており、これにより表面波に起因する不要電磁波の放射が抑制され、アンテナ放射パターンの歪みが抑制されて一様なアンテナ放射パターンとなることが報告されている。しかしながら、この方法は微細で複雑なフォトニックバンドギャップ構造を含めた大きなモデル形状で電磁界シミュレーションを行い構造の最適化をし、表面波が伝播しないフォトニックバンドギャップ構造を見つける必要があり、シミュレーションが煩雑で時間がかかり有用なものではなかった。また、製造上の観点からも、ビア導体でグランドに結合した多数の六角形金属パターンを形成する必要があり構造が複雑で実用化困難であった。
【０００９】
また、特許文献１にはフォトニックバンドギャップ構造をもちいたシールド材をアンテナ放射パターンを歪める導体板とアンテナの間に設け、導体板による不要電磁波の散乱を抑制させる方法が提案されている。しかしながら、この方法はアンテナ基板に加え、さらにシールド部材が必要とされ、分品点数ならびに設置工程を増やし、システムのサイズを大きく複雑にしまた製造コストを上昇させる。
【００１０】
また、特許文献２ではアレーアンテナの各素子の高さを変更し表面波の発生を抑制する方法が提案されているが、高さの異なる放射素子を形成するにはアンテナ基板の凹凸が必要であり、製造上の観点から均一に大量生産するには困難な構造であり実用に耐えない。
【非特許文献１】IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol.47 No11, 1999 pp2059
【特許文献１】特開２００４−１４０５６０号公報
【特許文献２】特開平４−２２７３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、表面波に起因する不要電磁波の放射を抑制し、それによる放射パターンの歪みを低減したアンテナモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、絶縁基板の表面または内部に放射素子が設けられ、前記絶縁基板の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜してなるアンテナ基板が、モジュール基板上に実装されたことを特徴とするアンテナモジュールである。
【００１３】
表面波（誘電体表面を伝播する電磁波）に起因するアンテナ基板端部からの不要電磁波の放射が、アンテナ放射パターンに最も悪影響を与え、歪みを生じさせるのであるが、本発明によりこの不要電磁波を低減することができる。これは、放射素子からアンテナ基板端部に向かって伝播した表面波が、傾斜部（反り）によって反射され、アンテナ基板内を伝播するうちに減衰するためである。なお、この反射は、傾斜部（反り）がアンテナ基板内における表面波伝播のインピーダンスの不連続性を引き起こすことに起因する。また、アンテナ基板端部から不要電磁波が放射したとしても、傾斜部（反り）はモジュール基板側に向いた形状であることから、水平方向（アンテナ基板はモジュール基板の表面に平行に配置されており、アンテナ基板水平方向とはモジュール基板の表面に平行な方向）から上方向（モジュール基板の表面に垂直な方向）にかけての放射ではなく、モジュール基板側への放射となることによって、アンテナ放射パターンに悪影響を及ぼすことは少なくなるからである。
【００１４】
また本発明は、前記アンテナモジュールにおいて、絶縁基板の裏面に半導体素子が搭載され、半導体素子と放射素子とが接続されていることを特徴とするものである。
【００１５】
これにより、表面波に起因する不要電磁波の水平方向（モジュール基板の表面に平行な方向）から上方向（モジュール基板の表面に垂直な方向）にかけての放射を抑制できるだけでなく、半導体素子で放射素子から送受信される信号を低周波に変換しモジュール回路基板に伝送することが可能となり、アンテナ基板の端部から放射された不要電磁波の周波数とモジュール基板上の電気回路における周波数とを異ならせることができる。その結果、特にアンテナ基板近傍に実装した半導体素子への混信などの悪影響を抑制できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、表面波に起因するアンテナ基板端部からの不要電磁波の放射を抑制し、それによるアンテナ放射パターンの歪みを低減したアンテナモジュールを得ることができる。特に、放射素子としてパッチアンテナを用いた場合は表面波が発生しやすいので、表面波に起因する不要電磁波の放射を抑制する本発明がより効果的となる。また、放射素子を被覆するように誘電体レンズを配置した構造においても一次放射アンテナの歪みの少ない放射パターンが重要なので、本発明が効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１に本発明の一実施形態であるアンテナモジュールの説明図を示す。    
本発明のアンテナモジュールは、絶縁基板１１の表面または内部に放射素子（パッチ１２）が設けられ、絶縁基板１１の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜してなるアンテナ基板１が、モジュール基板２上に実装されたことを特徴とするものである。
【００１８】
アンテナ基板１を構成する絶縁基板１１の材料は、高精度な積層構造や高密度多層配線が必要な場合、あるいは後述の半導体素子を収納する場合などその信頼性を考慮すればセラミックスが好ましい。一方、コストの点を考慮すれば有機材料が好ましい。セラミックスとしては、一般的にアルミナや窒化アルミニウム、マグネシアなどを主成分としたセラミックスや低温焼成セラミックスが挙げられる。特に、高周波では伝送線路における損失が大きく、その損失を抑えるために導体層の抵抗を低くすることが求められることから、導体層として銅や銀を用いることができる低温焼成セラミックスや有機多層基板が好ましい。なかでも誘電損失の低い低温焼成セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン製有機基板が好ましい。
【００１９】
モジュール基板２の材料も絶縁基板１１と同様に、アルミナや窒化アルミニウム、マグネシアなどを主成分としたセラミックスや低温焼成セラミックス、有機多層基板など用いることができる。製造コストの点を考慮すればＦＲ−４やＦＲ−５などの安価な有機基板が好ましく、高信頼性を追求する場合は絶縁基板１１とモジュール基板２の熱膨張係数を合わせるためにこれらを同じ材質とするのが好ましい。
【００２０】
放射素子としては、パッチ導体１２を絶縁基板１１の表面に設けた構造が示され、図では複数個のパッチ導体１２が設けられている。図に示すパッチ導体１２はアンテナ基板１の表面に設けられているが、パッチ導体１２の表面が例えば誘電体層で覆われ露出していない構造（内部に設けられた構造）であってもよく、パッチアンテナ以外にスロットアンテナや誘電体共振器アンテナなどの構造を用いてもよい。ただし、スロットアンテナや誘電体共振器アンテナに比してパッチアンテナの方が設計容易で給電構造が単純であり、また表層にパッチ導体がある場合、その寸法を測定することでアンテナ特性の予測ができ、製品の選別が容易になるのでパッチアンテナが好ましい。またパッチアンテナは、表面波の発生がスロットアンテナや誘電体共振器アンテナに比して顕著なため、本発明による効果が大きい。
【００２１】
なお、図では放射素子（パッチ導体１２）への給電線は省略されているが、スロットやストリップライン、同軸などを用いることができ、特に給電方法に限定はない。また、放射素子の数も特に限定はない。
【００２２】
そしてアンテナ基板１は、絶縁基板の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜した構造になっている。
【００２３】
具体的には、図２に示すように弧状に形成されたものや、図３に示すように平坦部と傾斜部を有する形状、図４に示すようにアンテナ基板１の中央部が凹んだ形状、また図示しないが端部に向かって徐々に厚みが薄くなるような形状などが挙げられるが、製造面を考慮すると図２〜図４に示すように厚みが略一定の構造が好ましい。
【００２４】
なお、周辺部とは、後述の図２および図１０の距離ａで示されている領域をいう。
【００２５】
ここで、図２において、放射素子としてのパッチ導体１２は絶縁基板１１の表面に形成されているが、このパッチ導体１２のうち最も絶縁基板１１の端部に近い位置にあるものの中心部における高さと絶縁基板１１の表面端部の高さとの差をｂ、このパッチ導体１２から絶縁基板１１の表面端部までの距離をaとしたとき、ｂ／aが０．５％（例えば２５μｍ／５ｍｍ）以上であることが好ましい。ただし、ａがアンテナ基板１より送受信される信号の空気中における波長λ以上の場合は、ａ＝λとする。また、長さｂは０．２ｍｍ以下であるのが好ましい。ｂ／ａの比率が高くなり、長さｂが０．２ｍｍより大きくなると、絶縁基板１１がセラミック基板ならば実装時の基板破壊が発生する恐れがあり、絶縁基板１１が有機基板ならば表面実装の半田が接合できないなどの不良が発生する恐れがあるからである。
【００２６】
このように絶縁基板１１の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜した形状であることにより、アンテナ基板１を伝播する表面波に起因する不要電磁波が放射されるのを抑制、特に水平方向（アンテナ基板１はモジュール基板２の表面に平行に配置されており、アンテナ基板１水平方向とはモジュール基板２の表面に平行な方向）から上方向（モジュール基板２の表面に垂直な方向）にかけて放射されることを抑制することができ、アンテナ放射パターンの歪みを低減できる。これは傾斜部（反り）で表面波が反射され、再び基板内を伝播するうちに減衰してしまうこと、アンテナ基板１の表面端部が放射素子より低い位置となるような裏面側に傾斜した形状を有するため、減衰するが消滅しきれなかった不要電磁波がモジュール基板側に放射され、モジュール基板で散乱されることによる。
【００２７】
なお、絶縁基板１１の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜した構造は、絶縁基板１１の周辺部の全領域に亘って形成されているのが好ましいが、全領域に限らず表面波の放射を抑制したい領域のみに形成されていてもよい。
【００２８】
以下に、図２〜図４に示す傾斜形状（反り形状）の形成方法について説明する。    
例えば、絶縁基板１１がセラミック基板の場合、放射素子（パッチ導体１２）が形成される面を下側にし、絶縁基板１１端部にスペーサーをはめて焼成することにより傾斜形状を得ることができる。これは、高温時にセラミック基板が軟化し、重力でアンテナ基板中央部が下がるためである。
【００２９】
また、セラミック基板に形成されるメタライズの収縮率をメタライズ組成の変更により制御し、複数の誘電体層のうちの放射素子（パッチ導体１２）が形成される面側に収縮しにくいメタライズを形成することで、傾斜形状を得ることができる。ここで、メタライズは必ずしも放射素子（パッチ導体１２）形成面に形成する必要はなく、セラミック基板の厚み中心から放射素子側寄りの内層に形成してもよい。また、セラミック基板の厚み中心から放射素子と逆側寄りの内層に収縮しやすいメタライズを形成してもよい。なお、メタライズの収縮率制御の方法として、導体粉の粒径変更、メタライズペースト内の有機成分量変更、導体粉以外にガラス粉末やセラミックス粉末を添加する方法やそれらの粒径変更などが挙げられる。
【００３０】
また、誘電体層の焼成時の収縮率を制御し、放射素子側の誘電体層を収縮しにくい層構成としてもよく、放射素子（パッチ導体１２）と逆側に収縮しやすい誘電体層を配してもよい。誘電体層の収縮率変更はメタライズの収縮率制御と同様に、粉体の粒径変更や有機成分量変更、組成変更による結晶化温度の変更などの方法が挙げられる。
【００３１】
また、焼成前にアンテナ基板１をプレス加工することで図２〜４に相応する形状に予め加工してから焼成してもよい。
【００３２】
一方、絶縁基板１１が有機基板の場合は、熱硬化時の収縮率が異なる誘電体層を用いる方法や、プレス加工、所望の傾斜形状（反り形状）の基体に接合する方法などがある。
【００３３】
このように形成されたアンテナ基板１が、表面に回路パターンの形成されたモジュール基板２上に実装されて、アンテナモジュールが形成される。
【００３４】
図１には、アンテナ基板１がモジュール基板２に半田ボール３で実装された構成が示されている。その他の実装方法として、金リボンや金のワイヤーボンディング、ＬＧＡタイプやピンを用いるＰＧＡタイプなどが挙げられるが、ローコストで特性安定性に優れる半田実装が好ましい。なお、前述のように、図では放射素子（パッチ導体１２）への給電線は省略されているが、特に給電方法に限定はない。
【００３５】
そして、図５は前述のアンテナモジュールに半導体素子を付加したアンテナモジュールである。すなわち、アンテナ基板１を構成する絶縁基板１１の裏面に半導体素子４が搭載されており、この半導体素子４と表面に設けられた放射素子（パッチ導体１２）とが接続された構造のアンテナモジュールとなっている。半導体素子４の実装部は凹んだ形状になっていてキャビティが形成されるとともに、このキャビティは封止キャップ５でカバーされており、湿気やゴミなどから守られている。この封止の形態としては、このようにキャビテイを設けた形状であってもよく、樹脂封止してもよい。
【００３６】
このような構造により、表面波に起因する不要電磁波の水平方向（モジュール基板の表面に平行な方向）から上方向（モジュール基板の表面に垂直な方向）にかけての放射を抑制できるだけでなく、半導体素子で放射素子から送受信される信号を低周波に変換しモジュール回路基板に伝送することが可能となり、アンテナ基板の端部から放射された不要電磁波の周波数とモジュール基板上の電気回路における周波数とを異ならせることができる。その結果、特にアンテナ基板近傍に実装した半導体素子への混信などの悪影響を抑制できる。
【００３７】
なお、図示していないが、半導体素子４は放射素子（パッチ導体１２）に直接あるいは他の半導体素子やフィルターなどのデバイスを介して接続されている。放射素子（パッチ導体１２）と半導体素子４とを接続するためには、一般的にマイクロストリップライン、ストリップライン、ビア導体、コプレーナライン、スロットライン、積層型導波管などの伝送線路が用いられるが、特に線路は限定されない。線路の引き回し容易性から考えれば、マイクロストリップライン、ストリップラインが好ましく、また低伝送損失の観点からは積層型導波管が好ましい。また、ビア導体の代わりに、信号の損失低減のためにスロットを用いて電磁的に接続してもよい。
【００３８】
また、図５では半導体素子が１つしか搭載されていないが、この搭載数は問わず、増幅器、変復調器、信号処理素子、逓倍器などとして複数の半導体素子を搭載してもよい。そして、アンテナが送受信する信号の周波数と、アンテナ基板およびモジュール基板がやり取りする周波数とを異なるようにするために、アンテナ基板内に周波数変換器と局部発振器を実装してもよい。なお、発振器に直接シグナルを入れて変調する場合には周波数変換器は不要となる。また発振器としては、局部発振器と逓倍器を別に構成する場合やＭＭＩＣとして一緒に作りこむ場合、周波数変換器など他の素子も含める場合、あるいはガンダイオードを用いる場合など様々な形態が採用できる。
【００３９】
なお、放射素子を被覆するように誘電体レンズを配置した構造においても、本発明により一次放射アンテナの歪みが抑制され一様な放射パターンが得られるため、歪みを考慮したレンズの設計が不要になり、設計時間が短くなり、また歪み部分の放射パターンを近似してレンズ設計する必要がなくなり近似が不要になる分、レンズの特性を最大限に引き出せる。また不要電磁波の放射が抑制されることにより、周囲の状況や不要電磁波の放射状況の変化による、放射特性のバラツキが抑制され工程能力の高いアンテナ特性が得られる。
【実施例】
【００４０】
本発明のアンテナモジュールについてアンテナ特性を評価するために有限要素法シミュレーションを行った。
【００４１】
アンテナ基板を構成する絶縁基板は比誘電率２．２のポリテトラフルオロエチレン製基板で構成しており、大きさは横１７ｍｍ×縦８ｍｍである。図６に示すように絶縁基板１１の表層にはパッチ導体１２とそれに給電するマイクロストリップライン１３が設けられ、裏面にはグランド層１５が設けられている。また、座標系を図７に、全体のモデル構成図を図８に示すように、マイクロストリップライン１３への給電はスロット１４を介し、ＷＲ−１２方形導波管６より行われる。アンテナ基板１の下部にはモジュール基板（２０ｍｍ×８ｍｍ）２を配しており、モジュール基板２上面は導体（図示しない）で覆われている。また、方形導波管６はＸ方向に１．５４８ｍｍ、Ｙ方向に３．０９８ｍｍの内径を有する形態であり、モジュール基板２を貫いて配置されている。そして、空気をモジュール基板２上面より上部に設け、空気の側面および上面は放射境界条件とした。なお、空気のｘｙ方向の大きさはモジュール基板２と同じとした。アンテナ基板１の中心はマイクロストリップライン１３とパッチ導体１２との接続部である。マイクロストリップライン１３の長さは２．４ｍｍ、幅０．０６ｍｍ、スロット１４は０．２ｍｍ×１．４ｍｍ、スロット１４のＸ方向の中心はマイクロストリップライン１３の端部から０．８ｍｍの位置にある。アンテナ基板１の厚みはパッチ導体１２とスロット１４で挟まれる上層が０．５ｍｍ、下の層が０．４ｍｍである。
【００４２】
なお、パッチアンテナの給電は方形導波管６から行ったが、それは広帯域構造をシミュレーションで容易に作成できるためである。実用では、モジュール基板２がアンテナ基板１と表面実装等により接合され、その接合部から給電された信号がマイクロストリップライン、あるいはスロットライン、ストリップライン等を介してアンテナに給電される。また、アンテナ基板１に半導体素子４が搭載され、その半導体素子４で周波数変換が行われる場合には、モジュール基板２からアンテナ基板１へ伝送する信号は放射素子（パッチ導体１２）から放射される信号に比べ低周波でよく、アンテナ基板１とモジュール基板２との接合は従来の表面実装技術で容易にできる。
【００４３】
上記モデルを用いφ＝０°（Ｅ面）方向（ＸＹ平面上）の放射パターンを計算した。Ｃｏ−Ｐｏｒａｌｉｚａｔｉｏｎの利得結果を図９に示す。横軸が角度θ（Ｚ軸とのなす角）、縦軸が利得である。実線が本発明の請求範囲外であり、点線が図１０に示すアンテナ基板構造での結果である。ここで、図１０に示すａおよびｂの値をｂ／ａ＝０．２ｍｍ／４．２８６ｍｍ＝４．６７％とした。なお、ａがアンテナ基板１より送受信される信号の空気中における波長λ以上の場合はａ＝λとするため、図１０に示すように規定したものである。
【００４４】
図９に示す結果によれば、実線では±９０°での利得が−２．４９ｄＢ、−３．９４ｄＢであったのが、傾斜（反り）を設けることによりそれぞれ−７．４８ｄＢ、−７．１１ｄＢと低減できる。また０度方向にあった放射パターンのくぼみが低減され、６０度付近のサイドローブも低減でき、より凹凸の少ない放射パターンが得られている。
【００４５】
また、図１０に示すｂ／ａを変化させたときの±９０°での利得を表１に示した。また、それをプロットしたのが図１１である。
【表１】
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【００４６】
この結果から、絶縁基板の周辺部の表面が端部に向かって裏面側に傾斜していない本発明範囲外の試料１に比して、傾斜している本発明範囲内の試料２〜６のほうがいい結果となることがわかり、特にｂ／ａが０．５％以上であることが好ましいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のアンテナモジュールの一実施形態の説明図である。
【図２】図１に示すアンテナ基板１の一例の説明図である。
【図３】図１に示すアンテナ基板１の他の例の説明図である。
【図４】図１に示すアンテナ基板１の他の例の説明図である。
【図５】半導体素子４を絶縁基板１１の裏面に搭載した本発明のアンテナモジュールの他の実施形態の説明図である。
【図６】実施例におけるアンテナ基板１の表面の説明図である。
【図７】実施例における座標系の説明図である。
【図８】実施例における全体のモデル構成図である。
【図９】Ｃｏ−Ｐｏｒａｌｉｚａｔｉｏｎの利得結果を示すグラフである。
【図１０】実施例におけるアンテナ基板１の説明図である。
【図１１】図１０に示すｂ／ａを変化させたときの±９０°での利得を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１・・・・・アンテナ基板
１１・・・・絶縁基板
１２・・・・パッチ導体
１３・・・・マイクロストリップライン
１４・・・・スロット
２・・・・・モジュール基板
３・・・・・半田ボール
４・・・・・半導体素子
５・・・・・封止キャップ
６・・・・・方形導波管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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